CN110607028A - 基于少层石墨烯的改性塑料及其制备方法 - Google Patents

基于少层石墨烯的改性塑料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于少层石墨烯的改性塑料及其制备方法。改性塑料包括：1000份塑料、3‑8份聚二甲基硅氧烷、5‑35份少层石墨烯粉末、5‑25份N‑(2‑氨乙基)‑3‑氨丙基三甲氧基硅烷、25‑70份甲醇、和4‑8份软化水。本发明制备出的PP改性塑料样品，注塑成电风扇外壳作老化对比测试，验证到新材料能有效利用外壳传导散热，1小时测试能降低内部结构温升10％；制备出的改性PE塑料，成型为不同产品后能有效增加其抑菌特性。

Description

基于少层石墨烯的改性塑料及其制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯应用技术领域，特别涉及一种基于少层石墨烯的改性塑料及其制备方法。
背景技术
PP塑料(聚丙烯)有着很好的耐冲击性、绝缘性和机械性，其熔点高和耐低温，因此能在消费产品及工业产品上被广泛使用。尤其是它的高介电系数与高击穿电压，非常适合用来制作受热的电器绝缘制品和电器外壳或配件。但由于其导热系数比较低，当应用于发热的产品外壳时，往往因为产品不能有效通过传导散热，而令到产品内部结构温升过高。市面上的家用电器比如电风扇，一般以PP塑料作为外壳材料以达到绝缘与隔离目的，但内部温升过高会导致电源工作环境变差，以至能源能效降低甚至影响产品有效工作寿命。
PE塑料(聚乙烯)无臭、无毒，具有优良的耐低温性能与稳定的化学特性，它于常温下不溶于一般溶剂，能耐大多数酸碱侵蚀。而且PE制品加工简单，可用吹塑、挤出、注射成型等方法加工成型被用作不同包装材料。当中以LDPE(低密度聚乙烯)的应用最为广泛，LDPE较一般PE有更高的抗张强度、较好的抗穿刺和抗撕裂性能，主要用作薄膜产品与包装材料等。
随着人类生活水平提高，对食品包装除了要求简便易用外，包装材质本身是否对食品有抑菌保鲜作用同样重要，这直接影响到食品的保存周期。
发明内容
本发明提供了一种基于少层石墨烯的改性塑料及其制备方法，以解决至少一个上述技术问题。
为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种基于少层石墨烯的改性塑料，包括：1000份塑料、3-8份聚二甲基硅氧烷、5-35份少层石墨烯粉末、5-25份N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷、25-70份甲醇、和4-8份软化水。
优选地，所述塑料为聚丙烯，其中，少层石墨烯粉末为5-20份，N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷为5-13份，甲醇为25-40份。
优选地，所述塑料为聚乙烯，其中，少层石墨烯粉末为25-35份，N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷为10-25份，甲醇为45-70份。
本发明还提供了一种用于上述的改性塑料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，塑料母料加入滚桶式塑料混色机的料斗中，将成分为聚二甲基硅氧烷的扩散油加入混合均匀至塑料母料表面平均沾上；
步骤2，再加入少层石墨烯粉末以混合至塑料母料表面平均沾上，混色机定时开关设置须少于2分钟，以免过长时间混合挤压改变石墨烯粉层数结构；
步骤3，预热水冷拉条切粒系统，挤出机机头与炮筒各区设定温度范围约160-250℃，喂料速率/螺杆转速(Q/N值)需视乎实际挤出质量调整为1-5pph/rpm；
步骤4，将上述处理过的塑料母料加入喂料机料斗，通过水冷拉条切粒系统加热熔融、加压挤出、条状料冷却成型再切粒输出半成品粒料；
步骤5，准备偶联剂溶液，将N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷：甲醇：软化水按比例2：7：1混合调配，充分搅拌半小时；
步骤6，预处理半成品粒料，将步骤4之粒料放入塑料高速搅拌机，并将步骤5上述偶联剂溶液直接喷洒在填料上，以480转/分钟转速搅拌20-30分钟，再以100℃烘干2小时；
步骤7，再次预热双螺杆挤出机各部分，机头与炮筒各区设定温度范围约160-250℃，喂料速率/螺杆转速(Q/N值)需视乎实际挤出质量调整为1-5pph/rpm；
步骤8，将步骤6已烘干预处理过的粒料加入喂料机料斗，通过水冷拉条切粒系统加热熔融、加压挤出、条状料冷却成型再切粒输出，制备成改性塑料母粒。
优选地，当所述塑料为聚乙烯时，所述步骤3中的温度范围为160-200℃。
本发明制备出的PP改性塑料样品，注塑成电风扇外壳作老化对比测试，验证到新材料能有效利用外壳传导散热，1小时测试能降低内部结构温升10％；制备出的改性PE塑料，成型为不同产品后能有效增加其抑菌特性。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明属于对现有PP塑料或PE塑料的添加改性，涉及材料包括PP塑料(聚丙烯)或PE塑料(聚乙烯)、少层石墨烯粉末、聚二甲基硅氧烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷、甲醇和软化水；本发明还公开了所述的改性塑料母料制备方法。
PP塑料(聚丙烯)的导热系数一般只有0.2W/mK；而石墨烯则具有非常好的导热性能，单层石墨烯导热系数可高达5300W/mK，以它作为载体时导热系数也可达600W/mK。
PE塑料(聚乙烯)本身并不具有任何抗菌抑菌的特性；而石墨烯已有实验证明，其纳米结构上的锋利片边缘能对细菌造成物理损伤，提取细菌细胞膜中的磷脂从而破坏细胞完整性。利用石墨烯的抑菌特性，将其平均分布于PE制品的表面，能对加工工艺简单的PE制品添加上抑菌改性。
以石墨烯作为填料成分添加到PP塑料母料能有效提高其导热性能；以石墨烯作为填料成分添加到PE塑料母料能对其进行抑菌改性。本发明关键是配合特定的助剂两次使用水冷拉条切粒系统将塑料母料混料挤出成型，有别于固有工艺只使用一次水冷拉条切粒系统混料挤出。这方法能避免混料时对添加剂过分挤压，防止少层石墨烯粉的层数分离结构重聚成多层石墨烯而导致导热系数下降。
两次混料挤出成型主要目的是让石墨烯填料于塑料分子结构中达到平均分散与稳定结构的效果：
1.平均分散：第一次挤出前先以特定成分的扩散油在最低程度的挤压或搅拌下将粉状少层石墨烯平均分散于塑料母料，再混料挤出成半成品粒料。
2.稳定结构：第二次挤出前的预处理需要以特定的偶联剂混合半成品粒料长时间搅拌，此时少层石墨烯成分已平均分散于固体粒料中，长时间搅拌挤压并不会使少层石墨烯粉的层数分离结构重聚。当中使用到的偶联剂属硅烷偶联剂一种，其分子结构中含有化学性质不同的两个基团：亲无机物的基团可与石墨烯的碳原子生成化学键；而另一个亲有机物的基团则能与塑料分子结构生成化学键。
以此形成的“石墨烯-偶联剂-塑料分子”的结合层能改善两者之间的界面作用，能使石墨烯平均分散于塑料分子的稳定结构中，发挥其良好的导热性能。
本发明根据以上方式制备出PP改性塑料样品，注塑成电风扇外壳作老化对比测试，验证到新材料能有效利用外壳传导散热，1小时测试能降低内部结构温升10％；制备出的改性PE塑料，成型为不同产品后能有效增加其抑菌特性。
以下所述制备方法中利用到以下通用的塑料机械设备,目的是为了更具体描述制备过程，但所述发明并不局限于可达到相同制备过程的其他设备：滚桶式塑料混色机、塑料高速搅拌机、水冷拉条切粒系统(包括喂料机、双螺杆挤出机、冷切机头、冷却水槽、吹干机与切粒机)。
1.制备改性PP塑料
1.1本发明涉及以下材料：
1.2具体制备方法：
(1)PP塑料母料加入滚桶式塑料混色机的料斗中，将成分为聚二甲基硅氧烷的扩散油加入混合均匀至塑料母料表面平均沾上。
(2)再加入少层石墨烯粉末以混合至塑料母料表面平均沾上，混色机定时开关设置须少于2分钟，以免过长时间混合挤压改变石墨烯粉层数结构。
(3)预热水冷拉条切粒系统，挤出机机头与炮筒各区设定温度范围约160-250℃，喂料速率/螺杆转速(Q/N值)需视乎实际挤出质量调整为1-5pph/rpm。
(4)将上述处理过的塑料母料加入喂料机料斗，通过水冷拉条切粒系统加热熔融、加压挤出、条状料冷却成型再切粒输出半成品粒料。
(5)准备偶联剂溶液，将N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷：甲醇：软化水按比例2：7：1混合调配，充分搅拌半小时。
(6)预处理半成品粒料，将程序(4)之粒料放入塑料高速搅拌机，并将程序(5)上述偶联剂溶液直接喷洒在填料上，以480转/分钟转速搅拌20-30分钟，再以100℃烘干2小时。
(7)再次预热双螺杆挤出机各部分，机头与炮筒各区设定温度范围约160-250℃，喂料速率/螺杆转速(Q/N值)需视乎实际挤出质量调整为1-5pph/rpm。
(8)将程序(6)已烘干预处理过的粒料加入喂料机料斗，通过水冷拉条切粒系统加热熔融、加压挤出、条状料冷却成型再切粒输出，制备成改性PP塑料母粒。
2.制备改性PE塑料
2.1本发明涉及以下材料：
2.2具体制备方法：
(9)PE塑料母料加入滚桶式塑料混色机的料斗中，将成分为聚二甲基硅氧烷的扩散油加入混合均匀至塑料母料表面平均沾上。
(10)再加入少层石墨烯粉末以混合至塑料母料表面平均沾上，混色机定时开关设置须少于2分钟，以免过长时间混合挤压改变石墨烯粉层数结构。
(11)预热水冷拉条切粒系统，挤出机机头与炮筒各区设定温度范围约160-200℃，喂料速率/螺杆转速(Q/N值)需视乎实际挤出质量调整为1-5pph/rpm。
(12)将上述处理过的塑料母料加入喂料机料斗，通过水冷拉条切粒系统加热熔融、加压挤出、条状料冷却成型再切粒输出半成品粒料。
(13)准备偶联剂溶液，将N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷：甲醇：软化水按比例2：7：1混合调配，充分搅拌半小时。
(14)预处理半成品粒料，将程序(4)之粒料放入塑料高速搅拌机，并将程序(5)上述偶联剂溶液直接喷洒在填料上，以480转/分钟转速搅拌20-30分钟，再以120℃烘干2小时。
(15)再次预热双螺杆挤出机各部分，机头与炮筒各区设定温度范围约160-200℃，喂料速率/螺杆转速(Q/N值)需视乎实际挤出质量调整为1-5pph/rpm。
(16)将程序(6)已烘干预处理过的粒料加入喂料机料斗，通过水冷拉条切粒系统加热熔融、加压挤出、条状料冷却成型再切粒输出，制备成改性PE塑料母粒。
根据以上方式制备出的改性PP塑料，成型为不同产品后能有效增加原来塑料的导热系数。制备出的改性PE塑料，成型为不同产品后能有效增加其抑菌特性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于少层石墨烯的改性塑料，其特征在于，包括：1000份塑料、3-8份聚二甲基硅氧烷、5-35份少层石墨烯粉末、5-25份N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷、25-70份甲醇、和4-8份软化水。
2.根据权利要求1所述的基于少层石墨烯的改性塑料，其特征在于，所述塑料为聚丙烯，其中，少层石墨烯粉末为5-20份，N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷为5-13份，甲醇为25-40份。
3.根据权利要求1所述的基于少层石墨烯的改性塑料，其特征在于，所述塑料为聚乙烯，其中，少层石墨烯粉末为25-35份，N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷为10-25份，甲醇为45-70份。
4.一种用于权利要求1-3所述的改性塑料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，塑料母料加入滚桶式塑料混色机的料斗中，将成分为聚二甲基硅氧烷的扩散油加入混合均匀至塑料母料表面平均沾上；
步骤2，再加入少层石墨烯粉末以混合至塑料母料表面平均沾上，混色机定时开关设置须少于2分钟，以免过长时间混合挤压改变石墨烯粉层数结构；
步骤3，预热水冷拉条切粒系统，挤出机机头与炮筒各区设定温度范围约160-250℃，喂料速率/螺杆转速(Q/N值)需视乎实际挤出质量调整为1-5pph/rpm；
步骤4，将上述处理过的塑料母料加入喂料机料斗，通过水冷拉条切粒系统加热熔融、加压挤出、条状料冷却成型再切粒输出半成品粒料；
步骤5，准备偶联剂溶液，将N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷：甲醇：软化水按比例2：7：1混合调配，充分搅拌半小时；
步骤6，预处理半成品粒料，将步骤4之粒料放入塑料高速搅拌机，并将步骤5上述偶联剂溶液直接喷洒在填料上，以480转/分钟转速搅拌20-30分钟，再以100℃烘干2小时；
步骤7，再次预热双螺杆挤出机各部分，机头与炮筒各区设定温度范围约160-250℃，喂料速率/螺杆转速(Q/N值)需视乎实际挤出质量调整为1-5pph/rpm；
步骤8，将步骤6已烘干预处理过的粒料加入喂料机料斗，通过水冷拉条切粒系统加热熔融、加压挤出、条状料冷却成型再切粒输出，制备成改性塑料母粒。
5.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，当所述塑料为聚乙烯时，所述步骤3中的温度范围为160-200℃。
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